一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈及散熱方法與流程

本發明涉及LED燈具散熱領域，尤其涉及一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈及散熱方法。

背景技術：

作為新一代固態節能照明光源，LED以其體積小、耗電量低、使用壽命長、環保等優點，逐步運用于廠房、道路、各類場館等重點照明場所。但是，隨著LED向高光強、高功率、高熱流密度方向發展，散熱問題變得越來越突出。

目前市面上的LED燈大部分是采用翅片的傳統熱管的散熱方法，該方法存在以下缺點：

主流的平板翅片雖然具有較大的傳熱面積，但是翅片的表面對流系數并不高，使得翅片到大氣環境這個環節的熱阻比例很大。同時，使用傳統熱管存在諸多缺點：首先，傳熱熱管的最大傳輸功率比較小，一旦超過最大傳輸功率就熱管就會蒸干，加熱端溫度就會急劇升高，如果要獲得更大的功率，就需要使用直徑更粗的熱管，使得結構笨重，外形也不美觀。其次，傳統熱管可靠性低，壽命短。傳統熱管強烈依賴高真空度。但是熱管長期工作在高溫環境下，不可避免產生不凝性氣體，不凝性氣體的存在，極大的影響傳統熱管的正常工作，隨著時間推移，不凝氣體增多，熱管最終失效。最后，傳統熱管的狀態或擺放方式受重力的影響非常大，無論傳統熱管是何種類型，熱量都難以反重力方向傳輸，或者只能在極小的距離傳輸極小的功率，因此，一旦反重力傳輸，傳統熱管就喪失了意義。目前采用傳統熱管搭配散熱片的方法，往往使得燈珠溫度偏高，從致導致LED燈光衰強，壽命短，嚴重影響了LED的大范圍推廣使用。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈及散熱方法，其表面對流換熱系數大、熱流密度大、散熱效率高、使用壽命長、可靠性好。

本發明的目的采用以下技術方案實現：

一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈，其包括LED芯片、脈動熱管組件、蜂窩散熱片、基板、充裝管，所述脈動熱管組件插接在蜂窩散熱片里組成散熱組件，該散熱組件固定在基板上側，所述脈動熱管組件為封閉回路；所述充裝管與所述封閉回路連通以向所述封閉回路中充入流動性工作介質；所述基板的下側安裝有LED芯片。

優選地，所述脈動熱管組件包括多組脈動單元，每組脈動單元均設有單元入口和單元出口，在前的脈動單元的單元出口與其相鄰的在后的脈動單元的單元入口通過脈動單元間連接管段連接，最前一組脈動單元的單元入口和最后一組脈動單元的單元出口通過脈動熱管首尾連接管段連接，所述充裝管連接于該脈動熱管首尾連接管段上。

優選地，所述脈動單元為螺旋或蛇形結構。

優選地，所述脈動單元均包括多個第一U型管，每個第一U型管均設有管入口和管出口，在前的第一U型管的管入口與其相鄰的在后的第一U型管的管出口通過第二U型管連接，且最前的第一U型管的管入口和最后的第一U型管的管出口分別形成了對應的一組脈動單元的單元入口和單元出口。

優選地，所述第一U型管包括兩個豎直管段以及連接兩個豎直管段的弧形管段，所述兩個豎直管段插接于蜂窩散熱片中，所述弧形管段嵌入基板上側設有的凹槽中。

優選地，所述第二U型管為剛性管段或柔性管段。

優選地，所述基板底部安裝有透鏡和燈罩；所述LED芯片位于透鏡內，所述透鏡位于燈罩內；所述基板上側通過連接螺栓與六角鋁柱固定連接，所述六角鋁柱頂部通過連接螺栓與過渡板固定連接，所述過渡板上固定有一電源殼體，該電源殼體內安裝有電源，所述電源殼體頂部固定有吊環，所述蜂窩散熱片安裝在基板和過渡板之間。

優選地，所述工作介質為超純水、無水乙醇、氟利昂和丙酮中的一種。

本發明的另一目的還在于提供一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈散熱方法，包括以下步驟；

S101：LED熱量傳遞：LED芯片在工作過程中產生熱量，熱量通過LED熱沉傳遞至基板，基板將熱量傳遞至脈動熱管組件的底部；

S102：工作介質汽化與冷凝：脈動熱管組件底部受熱后，所述工作介質和氣體在所述脈動熱管組件內形成間隔、長度不等的氣塞和液塞，工作介質受熱后由飽和液態汽化成飽和蒸汽，隨著熱量的不斷輸入，脈動熱管組件底部的壓力大于脈動熱管組件頂部的壓力，推動隨機的氣塞與液塞上行；飽和蒸汽在上升過程中不斷與脈動熱管組件頂部接觸，將熱量傳遞至脈動熱管組件頂部放熱凝結，造成脈動熱管組件底部的壓力小于脈動熱管組件頂部的壓力，受重力作用，氣塞與液塞沿空腔內壁回流至脈動熱管組件底部，實現工作介質的傳熱循環；

S103：蜂窩散熱片自然對流散熱：在步驟S102中，汽化后的工作介質在與脈動熱管組件頂部接觸的過程中不斷將熱量傳遞至蜂窩散熱片，然后通過蜂窩散熱片與空氣形成自然對流散熱。

優選地，在步驟S102中，對脈動熱管組件內抽真空，向脈動熱管組件充入工作介質時，充入工作介質的比例為脈動熱管組件總容積的90％。

相比現有技術，本發明的有益效果至少如下：

(1)結合脈動熱管的運行特點，通過工作介質在脈動熱管內的往復振蕩，快速把燈珠的熱量散發到大氣環境中。脈動熱管傳熱熱流密度大，提升傳散熱綜合效率，相較傳統熱管運行穩定性好，可靠性高。能長時間工作在高溫的環境中，即使產生了不凝性氣體也可通過脈動熱管特有的回路結構調節氣液平衡，不會影響脈動熱管的連續工作。

(2)脈動熱管工作依靠的是內部氣塞與液塞在加熱與冷卻的過程中形成的壓力差以及表面張力，重力只是一個輔助作用力。因此，脈動熱管式蜂窩散熱器大功率LED燈在應用時，即使存在較大的傾斜角度，仍然能夠保證連續傳熱，使LED燈穩定的運行，這一工作特性，特別適合于逆重力方向傳輸熱量的場合。

(3)蜂窩散熱片，通過其特有結構有效降低耗材使用量，減重和減少體積的同時大幅度增加了散熱片面積，空氣在蜂窩狀豎直通道內形成的自然對流更容易發展成湍流，提升自然對流換熱效率。因此，同等散熱功率需求下，減小了散熱片體積及重量；反之，相同的散熱體積下，可以匹配更大功率的LED燈珠。從整燈效果上看，結構緊湊，減輕重量、外觀協調。

附圖說明

圖1是本發明脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈的整體結構圖；

圖2是本發明蜂窩散熱片的結構示意圖；

圖3是本發明脈動熱管組件的結構示意圖；

圖4是本發明蜂窩散熱片的俯視圖；

圖5是本發明脈動熱管式蜂窩散熱器的LED燈散熱方法的流程示意圖。

附圖標記：100、燈罩；200、透鏡；300、LED芯片；400、電源；500、吊環；600、第一U型管；610、豎直管段；620、第二U型管；630、脈動單元間連接管段；640、脈動熱管首尾連接管段；650、充裝管；700、蜂窩散熱片；800、基板；810、連接螺栓；820、六角鋁柱；900、過渡板；1000、電源殼體。

具體實施方式

下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述：

請參見圖1至圖4，本發明涉及一種脈動熱管式蜂窩散熱器的

LED燈，包括LED芯片300、脈動熱管組件、蜂窩散熱片700、基板800、充裝管650，該脈動熱管組件插接在蜂窩散熱片700里組成散熱組件，該散熱組件固定在基板800上側，該脈動熱管組件為封閉回路；充裝管650與該封閉回路連通以向該封閉回路中充入流動性工作介質；該基板800的下側安裝有LED芯片300。在本實施中，該基板800為鋁合金底板，蜂窩散熱片700采用鋁質材料制成，該工作介質為超純水、無水乙醇、常用氟利昂和丙酮的常溫熱管工質的其中一種；超純水為電阻率達到18MΩ*cm(25℃)的水。

為了達到更好的技術效果，在本實施例中，脈動熱管組件包括多組脈動單元，每組脈動單元均設有單元入口和單元出口，在前的脈動單元的單元出口與其相鄰的在后的脈動單元的單元入口通過脈動單元間連接管段630連接，最前一組脈動單元的單元入口和最后一組脈動單元的單元出口通過脈動熱管首尾連接管段640連接，充裝管650連接于該脈動熱管首尾連接管段640上。在本實施例中，該脈動單元為螺旋型或蛇形結構。

為了達到更好的技術效果，在本實施例中，脈動單元均包括多個第一U型管600，每個第一U型管均設有管入口和管出口，在前的第一U型管600的管入口與其相鄰的在后的第一U型管600的管出口通過第二U型管620連接，且最前的第一U型管600的管入口和最后的第一U型管600的管出口分別形成了對應的一組脈動單元的單元入口和單元出口。在本實施例中，該第二U型管620為剛性管段或柔性管段。

為了達到更好的技術效果，在本實施例中，第一U型管600包括兩個豎直管段610以及連接兩個豎直管段的弧形管段，所述兩個豎直管段插接于蜂窩散熱器中，所述弧形管段嵌入基板上側設有的凹槽中。在本實施例中，每一組里的第一U型管數量為6個。

為了達到更好的技術效果，在本實施例中，基板800底部安裝有透鏡200和燈罩100；LED芯片300位于透鏡200內，透鏡200位于燈罩100內；基板800上側通過連接螺栓810與六角鋁柱820固定連接，六角鋁柱820頂部通過連接螺栓810與過渡板900固定連接，該過渡板900上固定有一電源殼體1000，該電源殼體1000內安裝有電源400，電源殼體1000頂部固定有吊環500，蜂窩散熱片700安裝在基板800和過渡板900之間。電源400固定在過渡板900的上面，確保電源與蜂窩散熱器形成約30mm的距離，以便于減小空氣自然對流的流動阻力，及時的把熱量帶走；使用吊環500方便裝置掛起。

圖5是本發明脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈散熱方法的流程示意圖。

如圖5所示，本實施例提供一種脈動熱管式蜂窩散熱器的大功率LED燈散熱方法，包括以下步驟：

步驟S101：LED熱量傳遞：LED芯片在工作過程中產生熱量，熱量通過LED熱沉傳遞至基板，基板將熱量傳遞至U型脈動熱管組件；

步驟S102：脈動熱管組件底部受熱后，所述工作介質和氣體在所述脈動熱管組件內形成間隔、長度不等的氣塞和液塞，工作介質受熱后由飽和液態汽化成飽和蒸汽，隨著熱量的不斷輸入，脈動熱管組件底部的壓力大于脈動熱管組件頂部的壓力，推動隨機的氣塞與液塞上行；飽和蒸汽在上升過程中不斷與脈動熱管組件頂部接觸，將熱量傳遞至脈動熱管組件頂部放熱凝結，造成脈動熱管組件底部的壓力小于脈動熱管組件頂部的壓力，受重力作用，氣塞與液塞沿空腔內壁回流至脈動熱管組件底部，實現工作介質的傳熱循環；在步驟S102中，對脈動熱管組件內抽真空，向脈動熱管組件充入工作介質時，充入工作介質的比例為脈動熱管組件總容積的90％；如充裝R134A工作介質。

具體地，基板將熱量傳遞至脈動熱管組件的底部；脈動熱管組件內部由于表面張力的原因，內腔形成串聯的、隨機分布的、相間的氣塞與液塞。脈動熱管組件底部受熱后，工作介質開始由飽和液態汽化成飽和蒸汽，隨著熱量的不斷輸入，脈動熱管組件底部內部飽和壓力不斷上升，汽塞不斷膨脹，造成脈動熱管組件底部的壓力大于脈動熱管組件頂部的壓力，以此壓力差作為驅動力，推動隨機的氣塞與液塞上行。在上升的過程中，熱量不斷地從蜂窩型散熱片700散出去，飽和蒸汽在沿程進行潛熱傳遞(次要的，約占總傳熱量的30％以下，飽和液體在沿程進行顯熱傳遞(主要的，約占總傳熱量的70％以上)。空氣在蜂窩型散熱器正6邊形通道形成強烈的自然對流擾動，即“煙囪效應”。脈動熱管組件底部的氣塞經過膨脹后其內部的壓力也在不斷減小，頂部飽和蒸汽在上升冷卻冷凝的過程中壓力也在不斷逐漸減小并不斷收縮，冷凝液量不斷增多，冷凝液的量累積到一定程度后，垂直方向，表面張力與重力(輔助作用)合力大于內部的飽和壓力時，推動隨機分布的汽塞與液塞下行，完成從熱沉到大氣環境一個周期的熱量輸運。

步驟S103：蜂窩散熱器自然對流散熱：汽化后的工作介質在與脈動熱管組件頂部接觸的過程中不斷將熱量傳遞至蜂窩散熱器，然后通過蜂窩散熱器與空氣形成自然對流散熱，提高散熱效率；具體地，脈動熱管組件內氣塞與液塞在脈動熱管組件內部膨脹、收縮、來回往復的振蕩，在振蕩的過程中把熱量通過蜂窩散熱器最終散至大氣環境中。

對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬于本發明權利要求的保護范圍之內。